Funadementos 2 de las calderas

1ª Reunión de Usuarios de EcosimPro, UNED, Madrid, 3-4 Mayo 2001

C5
MODELADO Y SIMULACIÓN DE UNA CALDERA DE VAPOR
INDUSTRIAL USANDO ECOSIMPRO
Susana Pelayo Díaz
Centro de Tecnología Azucarera, Universidad deValladolid
C/Real de Burgos. Edificio Alfonso VIII. Planta baja s/n 47011 Valladolid - España
Tfno: 983 42 35 63. FAX: 983 42 36 16. Email: susana@cta.uva.es

Resumen necesario buscar un método alternativo de análisis: la
simulación.
Una caldera de vapor es un sistema complejo
formado por numerosos elementos. Con Ecosimpro La simulación es la representación del
se ha modelado cada elemento de forma individual, comportamiento de un proceso real mediante la
de tal forma que la unión de dichos elementos resolución de un modelo matemático. Las ventajas
permita la simulación de la caldera total. Para que presenta la utilización de modelos matemáticos
realizar el modelo se ha tomado como referencia una se resumen en:
caldera de vapor industrial real. - Se puede analizar un proceso en profundidad,
determinando qué variables o parámetros son críticos
Palabras Clave: Simulación, EcosimPro, modelado e influyen de manera decisiva en el funcionamiento
orientado a objetos, calderas de vapor, sistemas de del sistema global.
control. - Se facilita enormemente la búsqueda de las
condiciones óptimas de operación.
- Se pueden estudiar de una forma segura
1 INTRODUCCIÓN condiciones límite o extremas, muy alejadas de las
normales de operación para analizar sus
Una caldera de vapor es una unidad de proceso de consecuencias.
gran importancia en todo tipo de industrias. Las - Se puede utilizar con finalidad didáctica:
necesidades de vapor de agua de una industria en entrenamiento de operarios.
general pueden resumirse en:
- vapor como medio de calefacción directa o indirecta 2 OBJETIVO
- vapor como materia prima
- vapor como medio de obtención de energía eléctrica Los objetivos que se han fijado a la hora de
desarrollar este trabajo pueden resumirse en:
Controlar de forma efectiva las condiciones de - estudio la unidad de proceso y los elementos que la
operación de una caldera es una necesidad obvia si se componen.
tiene en cuenta que: las elevadas presiones y - desarrollo un modelo matemático dinámico y su
temperaturas de trabajo son las principales simulación con Ecosimpro.
responsables de los problemas de peligrosidad por - estimación parámetros y validación del modelo por
riesgo de explosiones. Tampoco debe olvidarse el comparación con datos reales de operación
aspecto económico, considerando no sólo los costes - diseño del sistema de control completo.
de construcción, sino también los elevados costes de
operación (grandes cantidades de combustibles Este trabajo forma parte de un proyecto cuyo objetivo
quemados) y los costes de mantenimiento final es el desarrollo de un simulador completo de
relacionados con las condiciones de operación ya una planta de obtención de azúcar para el
mencionadas. entrenamiento de operarios

La búsqueda de esas condiciones óptimas de 3 FUNCIONAMIENTO DE UNA
operación y el control de las mismas no es una tarea CALDERA DE VAPOR
fácil, ya que una caldera de vapor es un sistema muy
complejo en el que todas las variables están El principio de funcionamiento de una caldera es
interrelacionadas. Además, la realización de pruebas sencillo: se pretende evaporar agua y sobrecalentar el
de forma directa sobre una caldera son difíciles de vapor obtenido mediante la energía liberada en una
llevar a cabo, tanto desde el punto de vista técnico, reacción de combustión. En concreto, la caldera de
(por los peligros derivados de la manipulación de las vapor elegida como base para el modelado funciona
condiciones de operación), como económico (tiempo de la siguiente manera: (ver Figura 1)
y dinero necesario). Teniendo esto en cuenta, es

5-1


Figura 1. Esquema de funcionamiento de la caldera de vapor industrial

El agua de alimentación, antes de entrar en el sistema 4 MODELO FÍSICO –
generador de vapor propiamente dicho pasa por un MATEMÁTICO
intercambiador de calor cuyo objetivo es el
precalentamiento de dicho agua antes de que ésta
entre en el economizador. Como medio calefactor se Para llevar a cabo el modelado de la caldera de vapor
utiliza vapor de agua saturado que se obtiene en el se la ha dividido en los distintos elementos que la
calderín. componen, modelándose cada uno de ellos por
separado; de tal forma que su posterior unión nos
En el economizador el agua se sigue calentando, permita simular el comportamiento global de la
aunque sin llegar a vaporizarse, utilizando como caldera.
fluido calefactor los gases de combustión generados
en la propia caldera. Los elementos principales considerados son:
- Hogar de combustión
Después del economizador el agua llega al calderín - Banco de convección
superior, y desde allí, mediante los tubos bajantes - Sobrecalentador primario y secundario
accede al calderín inferior, desde dónde se reparte - Atemperador
entre los distintos circuitos de generación de vapor, - Economizador
correspondientes a la cámara de combustión y el - Precalentador de agua
banco de convección. - Calderín de vapor y calderín de agua
- Conductos y tuberías
El agua, al ascender por los tubos (por circulación - Chimenea
natural) se va vaporizando en parte, formando una - Ventilador
mezcla de vapor y agua al llegar de nuevo al calderín
superior. En este, el vapor generado debe separarse El modelado de cada unidad está basado en leyes de
del agua, para lo cual se dispone de un sistema de conservación de materia, energía y cantidad de
separadores ciclónicos. movimiento, buscando siempre un compromiso entre
la representación fidedigna del proceso real y la
El vapor seco que sale del calderín llega la sección de complejidad matemática derivada de la misma.
sobrecalentamiento, formada por dos cuerpos Compromiso que puede traducirse en la
separados por un atemperador. Al salir del consideración de determinadas suposiciones y calculo
sobrecalentador secundario, el vapor llega a un de ciertos parámetros.
colector desde donde ya pasa a proceso.
De forma genérica, las leyes de conservación pueden
Esta caldera, que se ha elegido como base para el traducirse matemáticamente como:
modelo, obtiene vapor sobrecalentado a 40 bares y Balance de materia:
380ºC a partir de agua a 120ºC y utilizando como
combustible un gas natural de poder calorífico dM
= W entrada − W salida + W generación − Wconsumo (1)
inferior igual a 9100 kcal/m3N. dt

Balance de energía

5-2


0 = Wi entrada − Wi salida + Wi generado − Wi consumido (5)
d ( M ⋅H )
= W ⋅H entrada − W ⋅H salida + Q absorbido − Qcedido (2)
dt donde Wi sería el flujo másico de la especie ‘i’
presente en los gases. La suma de todos los flujos de
Transmisión de calor salida nos dará la cantidad total de humos que se
producen.
Q = U ⋅ S ⋅ (∆Tm) (3)
4.1.2. Intercambio de Flujos de Calor
Balance cantidad de movimiento (Ec. Bernouilli)
Para una construcción correcta del modelo del hogar
2 2 de combustión es necesario analizar todos y cada uno
P1 u P u
+ z 1 + 1 = 2 + z 2 + 2 + hf (4) de los intercambios de energía entre los elementos
ρ⋅g 2⋅ g ρ ⋅ g 2⋅ g que lo componen, de esta forma, deben considerarse:
Flujos de radiación [1] entre superficies y llamas
donde: ∆Tm (diferencia media de temperaturas), luminosas:
H(entalpía específica), hf (pérdida de carga), P
(presión), Q (flujo de calor), S (superficie efectiva de
intercambio de calor), U (coef. global de transmisión
Q LL → S = AS ⋅ σ ⋅
ε S +1
2
[
⋅ ε LL ⋅ T LLAMA − TS4
4
] (6)
de calor), W (flujo másico), z (altura), ρ (densidad).
Flujos de radiación entre superficies y gases de
Estas ecuaciones se utilizan para el modelado de combustión [1]:
todas las unidades que componen la caldera,
ε S +1
[ ]
ajustándolas a cada caso concreto. Las unidades más
complejas desde el punto de vista del modelado son Q G → S = AS ⋅ σ ⋅ ⋅ ε G TG4 − a G T S4 (7)
2
el hogar de combustión y el calderín de vapor, por lo
que se ha considerado necesario describirlas de forma
El suelo del hogar está recubierto de una capa de
más detallada:
ladrillo refractario (para evitar contacto directo de los
tubos con los gases). El flujo de radiación
4.1 HOGAR DE COMBUSTIÓN intercambiado entre esta pared y los tubos vendrá
dado por [1]:
El hogar de combustión es una de las partes
de mayor importancia en una caldera de vapor, en el
se produce la reacción de combustión del combustible Q3 = σ ⋅ A ⋅
(1 ε Pared
1
+ 1 ε Tubo − 1)
(
⋅ T Pared − TTubo
4 4
) (8)
seleccionado (en este caso, gas natural) con el
comburente (el aire). Estas reacciones son muy
exotérmicas, y provocan la aparición de una llama, la en estas ecuaciones: A (superficie de intercambio), Q
existencia de dicha llama, y las altas temperaturas (flujo de calor), T (temperatura), σ (cte. Stefan-
alcanzadas resultantes de la combustión, tienen como Boltzmann), ε (emisividad), a (absortancia),
consecuencia que la mayor parte del calor hacia los
tubos donde se evapora el agua se transmita por Para el calculo del flujo de calor intercambiado por
radiación. radiación y convección entre los gases de combustión
y los tubos por los que circula el agua se ha utilizado
A continuación se presenta una pequeña descripción el método de Lobo-Evans [3]:
de las ecuaciones utilizadas para el modelado de esta
unidad, así como de las suposiciones q se han
 T  4  T  4 
considerado. Q = 0.173 ⋅ F ⋅  G  −  T   ⋅ α ⋅ Acp +
   
 100   100  
 
(9)
+ hc ⋅ A ⋅ (TGas − TTubo )
4.1.1. Reacción de Combustión

La combustión se ha considerado instantánea e
incompleta, las ecuaciones que tienen lugar pueden donde A (superficie total de los tubos), Acp (superficie
resumirse de forma genérica como: plana equivalente de los tubos), F (factor global de
radiación), hC (coef. transmisión de calor por
CaHb + (a + b/4) O2 → a CO2 + (b/2) H2O convección), Q (flujo de calor), T (temperatura), α
CaHb + (a/2 + b/4) O2 → a CO + (b/2) H2O (factor de eficiencia de absorción)
CO + 1/2 O2 → CO2
El calor transmitido desde los tubos al agua que
Teniendo en cuenta estas reacciones, la composición circula por su interior se puede calcular a partir de la
de los gases de combustión vendrá dada por: ecuación [2]:

5-3


(
QW = hi ⋅ S iTUBO ⋅ Tt − TW HOG ) (10)
Los tubos que forman el hogar de la caldera están
donde: hi (coef. transmisión de calor), STUBO expuestos a temperaturas muy elevadas, y en
(superficie interior total promediada de los tubos),T presencia de gases secos que pueden resultar
(temperatura) corrosivos. El control de la temperatura de los
tubos es un punto importante a estudiar para evitar
4.1.3. Balances de Materia y Energía: cálculo posibles roturas por sobrepasar la resistencia térmica
de temperaturas del material. El análisis de esa temperatura puede
hacerse aplicando un balance de energía a los
A la hora de realizar los balances de materia y energía mismos:
del hogar de combustión, habrá que considerar de
nuevo por separado cada uno de los elementos que lo dTT
M T ⋅ Cp T = QTUBOS − QW (14)
componen: llama, paredes, gases, tubos, agua. dt

4.1.3.1. Temperatura de la Llama El calor total que absorben (Q TUBOS) los tubos
incluye: calor de radiación procedente de la llama,
Para calcular la temperatura que alcanza la llama, calor de radiación y de convección de los humos,
debe hacerse un balance de energía a la misma, calor procedente de una capa de ladrillos refractarios
considerando que todo el calor desprendido en la que cubre el suelo del hogar, pérdidas de calor a
combustión del gas natural con el aire se transmite a través de los aislantes.
las paredes y los tubos que forman la cámara de
combustión y a los propios gases generados en la 4.1.3.5. Agua que se evapora
reacción.
Por el interior de los tubos circula agua procedente
Wcomb⋅H comb +Wair ⋅H aire + H reac = WHumo⋅H Humo +QLL (11)
º
del calderín inferior que gracias al calor recibido a
través de las paredes de los tubos va a evaporarse en
4.1.3.2. Paredes del hogar parte.

Las paredes, de ladrillo refractario, se han Para simplificar el modelo no se ha modelado el
considerado como superficies grises con una perfil de temperaturas y presiones existente a lo largo
emisividad elevada, con capacidad por tanto para de la longitud de los tubos de ascenso del agua.
absorber y emitir energía [1].
d (M W ⋅ H W )
= WW in⋅hW in −WW out ⋅H W out −WV out ⋅H V out +QW (15)
( )
d TPared dt
M Pared ⋅Cp P⋅ =Qabsorbido − σ ⋅ AP⋅ ε P ⋅ TPared
4
(12)
dt
WW in = WW out + WV sal (16)
El calor absorbido es la suma del calor de radiación
proveniente de la llama y el calor de radiación En todas estas ecuaciones: Cp (calor específico), M
proveniente de los humos. (masa), hW (entalpía específica del agua), H (entalpía
específica), HV (entalpía específica del vapor), Hºreac
4.1.3.3. Gases de combustión (flujo de calor desprendido en la reacción de
combustión), Q (flujo de calor), T (temperatura), W
Los gases de combustión, al atravesar el hogar, se ven (flujo másico).
implicados en varios procesos de intercambio de
energía, que modifican su temperatura de salida de la 4.2 CALDERÍN DE VAPOR
cámara de combustión.
Desde el punto de vista de modelado, el objetivo
d (M H ⋅ H H ) buscado es la representación de los fenómenos de
=WH ⋅ H H llama − WH ⋅ H H out + QHumos (13) esponjamiento y contracción del nivel de líquido en
dt
el calderín como consecuencia de aumentos o
El término Qhumos representa el flujo neto de calor que disminuciones en la demanda de vapor de la caldera,
los humos intercambian con el resto de elementos, en y que provocan una variación del nivel en el sentido
él se incluye: calor absorbido por los humos opuesto al que intuitivamente se esperaría.
procedente de la llama, calor intercambiado con las
paredes de ladrillo refractario, calor transmitido desde Si aumenta repentinamente la demanda de vapor: el
los humos a los tubos de la sección radiante por un nivel, en lugar de disminuir, al extraerse más vapor,
mecanismo conjunto de radiación y convección. aumenta temporalmente debido a una caída
momentánea de la presión del vapor causada por el
4.1.3.4. Tubos de la Sección Radiante aumento de consumo. Esta disminución de presión

5-4


inicial provoca una mayor evaporación y un aumento ser nula” o lo que es lo mismo “el peso del fluido en
en el tamaño de las burbujas de vapor los bajantes debe ser igual al peso del fluido en los
(esponjamiento) que hace aumentar el nivel en el tubos de subida”.
calderín, hasta que el flujo de calor pueda
incrementarse lo suficiente como para restaurar el 4.2.2. Balances de Energía
valor de presión.
d ( Mw ⋅ h w)
Por el contrario, si disminuye repentinamente la = Ww feed ⋅ h w feed − Ww purga ⋅ h w −
dt
demanda de vapor, se producirá una disminución − Wwin c.evap ⋅ h w + Wwout c.evap ⋅ h wout c.evap + (20)
temporal del nivel en el calderín (contracción). Un
fenómeno parecido ocurre con el cambio de agua de + Wbcond ⋅ H b − Wbcrean ⋅ H bcrean
alimentación.
d (Mv ⋅ Hv )
Para modelar estos fenómenos, se ha considerado que = Wb salen ⋅ Hbsalen − Wv out ⋅ Hv (21)
dt
en el interior del calderín coexisten en todo momento
d (Mb ⋅ Hb )
tres fases diferenciables, agua, vapor de agua y
burbujas, que deben estudiarse por separado. (ver = Wvin c.evap ⋅ Hvin c.evap − Wbcond ⋅ Hb +
Figura 2) dt (22)
+ Wbcrean ⋅ Hbcrean − Wbsalen ⋅ Hbsalen

en estas ecuaciones: M (masa), W (flujo másico), H
(entalpía específica) y los subíndices w (agua), v
(vapor), b (burbujas)

5 DESARROLLO DEL MODELO
EN ECOSIM
Una vez que se tiene el modelo matemático, hay que
traspasarlo a Ecosim. Para ello se crean una serie de
componentes sencillos, que representarán cada una de
las unidades de proceso que componente la caldera,
de tal forma, que su conexión nos permita simular el
comportamiento de la caldera completa.
4.2.1. Balances de Materia
Además de los componentes que representan las
dMw
= Ww feed − Ww purga −Wwin c .evap + Wwout c.evap + unidades de proceso que forman la caldera, se han
dt (17) tenido que desarrollar una serie de librerías generales,
+ Wbcond − Wbcrean que incluirían:
- librería de especies químicas y sus propiedades
dMv físicas y químicas
= Wb salen − Wv out (18) - librería de puertos (gas, vapor, fluido,…)
dt - librería de elementos de flujo: tuberías (fluido
compresible e incompresible), bombas, válvulas, …
d Mb - librería de control: reguladores, medidores, …
= Wv in c .evap − Wb cond + Wb crean − Wb salen (19)
dt
En principio, los componentes individuales
Los términos de burbujas que condensan, se crean y correspondientes a la caldera no serían reutilizables,
pasan de la fase líquido a vapor, se han considerado al estar desarrollados muy en detalle. Esto se debe a
proporcionales a la masa de burbujas o de líquido y a que el objetivo de este trabajo es la obtención de un
la diferencia de presiones de las fases que relacionan. único componente caldera (este sí ya sería general)
Las constantes de proporcionalidad son parámetros que pasaría a formar parte de una librería general de
del sistema que deben calcularse a partir de datos elementos de una azucarera. Estos componentes son
experimentales. excesivamente extensos como para reproducirlos en
este documento, por lo que a modo de ejemplo se
El flujo de agua que circula a través del circuito de incluye alguno de esos otros componentes generales
evaporación (calderín, tubos bajantes, calderín de que también se han desarrollado.
agua y tubos de evaporación) se puede calcular a
partir del principio que rige la circulación natural: “la Se presentan a continuación los componentes
suma algebraica de todas las presiones a lo largo de correspondientes a un puerto gas, una válvula para
un camino cerrado de un sistema en equilibrio debe

5-5


gases, y un sistema de control en cascada para el --------------------------------------------------------------------------
---- SIST. CONTROL NIVEL EN EL CALDERÍN ------------
nivel del calderín:
--------------------------------------------------------------------------
-- Nombre del componente: control_nivel
------------------------------------------------------------------------- -- Descripción: cascada para el control del nivel en el calderín
-- Definición de un puerto gaseoso -- Datos necesarios: ninguno
------------------------------------------------------------------------- -- Autor: Susana Pelayo Díaz.
PORT gas (SET_OF(Chemical)Mix) ---------------------------------------------------------------------------
COMPONENT control_nivel
SUM REAL W RANGE 0.,Inf "Flujo másico (Kg/s)"
PORTS
SUM IN REAL Wi[Mix] RANGE 0.,Inf IN analog_signal nivel -- nivel en el calderín de vapor
"Flujo másico individual (Kg/s)" IN liquido (agua) agua_in
EQUAL OUT REAL C[Mix] RANGE 0.,1. OUT liquido (agua) agua_out
"Concentraciones (%1 en peso)"
REAL x[Mix] RANGE 0.,1. TOPOLOGY
"Concentración (fracc molar:%1moles)" Medidor_W_liquido (fluido_mix=agua) m_W_agua
EQUAL REAL P RANGE 0.,Inf "Presión (bar)" Valvula_liq(fluido_mix=agua) v_AGUA (Kv=293.2048)
EQUAL OUT REAL T RANGE -273.,Inf "Temperat.(ºC)" Cntrl_pi reg_L_cv(k=10.,Ti=100.,Tr=0.007,u_min=0.001,
REAL H "Entalpía específica (KJ/Kg)" u_max=40.,man=17.5333192)
SUM IN REAL f_energ "Flujo de entalpía (KJ/s)" Cntrl_pi reg_W_feed (k=15,Ti=10.,Tr=0.007,u_min=0.001,
REAL Rho_g RANGE 0.,Inf "Densidad (Kg/m^3)" u_max=100.,man=50.)
REAL F RANGE 0.,Inf "Flujo volumétrico"
CONNECT agua_in TO m_W_agua.f_in
CONTINUOUS CONNECT reg_L_cv.s_out TO reg_W_feed.s_set
CONNECT m_W_agua.flujo TO reg_W_feed.s_var
1 = SUM (j IN Mix; C[j]) CONNECT reg_W_feed.s_out TO v_AGUA.Ap
EXPAND(j IN Mix EXCEPT setofElem(Mix,1)) Wi[j]=C[j]*W CONNECT m_W_agua.f_out TO v_AGUA.f_in
W = SUM(j IN Mix;Wi[j]) CONNECT v_AGUA.f_out TO agua_out
H = entalp_gas (Mix, T, x)
f_energ = W * H CONTINUOUS
Rho_g = dens_gas (Mix, T, P, x) nivel.signal = reg_L_cv.s_var.signal
F = W/Rho_g v_AGUA.f_in.P - v_AGUA.f_out.P = 0.00132
-- relación entre concentración en peso(C) y en fracción molar(x)
EXPAND (j IN Mix) x[j] = (C[j]/Mmolec[j]) END COMPONENT
/ SUM (i IN Mix; (C[i]/Mmolec[i]) )

END PORT
6 COMPONENTE CALDERA
-------------------------------------------------------------------------------
-- Nombre del componente: Valvula_gas El componente final ‘CALDERA’ obtenido por unión
-- Descripción: representación válvula LINEAL para gases
de los distintos componentes simples desarrollados
-- Datos: coef de caudal(Kv),intervalo para flujo laminar(dplam)
-- Autor: Susana Pelayo Díaz contiene toda la información de dichos componentes.
-------------------------------------------------------------------------------- Esta unión se ha hecho de tal forma que el usuario
COMPONENT Valvula_gas (SET_OF(Chemical)gas_mix) final no tenga necesidad de conocer a fondo el
modelo matemático que hay por debajo. Así mismo, y
PORTS
IN gas (Mix = gas_mix) f_in para facilitar su uso, únicamente se han dejado
OUT gas (Mix = gas_mix) f_out visibles como variables de contorno aquellas de
IN analog_signal Ap -- apertura de valvula (%) mayor interés desde el punto de vista de estudio del
comportamiento del sistema.
DATA
REAL Kv "coef. de caudal”
Para que el funcionamiento del componente global
DECLS caldera sea correcto ha sido necesario introducir un
REAL coef "coeficiente interno calculo"
sistema de control mínimo que permita mantener las
REAL caidaP "caída de presión en esa válvula (bar)"
variables críticas del proceso dentro de unos límites
INIT razonables. La introducción de este sistema de control
IF(f_in.W == 0)THEN se justifica si se tiene en cuenta la gran interacción
f_out.T = 0.
que existe entre todas las variables de proceso.
f_out.Rho_g = 0.
f_out.H = 0.
END IF El sistema de control incluye:
1. control de la presión en el colector de vapor,
CONTINUOUS
mediante el flujo de entrada de combustible al
f_out.W = f_in.W
EXPAND (j IN gas_mix) f_out.C[j] = f_in.C[j] hogar.
f_in.T = f_out.T 2. control del nivel de líquido en el calderín de
f_out.P = f_in.P - caidaP vapor, mediante el flujo de agua de alimentación
<eqn3> coef = Kv * Ap.signal/100.
a la caldera.
0.05*f_in.W' = (coef*sqrt(max(1.e-8,(f_in.P**2
- f_out.P**2)))) - f_in.W 3. control de la temperatura del vapor
sobrecalentado, mediante el flujo de agua de
END COMPONENT entrada al atemperador.

5-6


Los parámetros que debe introducir el usuario como CONNECT f_aire.f_out TO C1.aire_in, C2.aire_in
CONNECT f_comb.f_out TO C1.comb_in, C2.comb_in
DATOS en este componente global serían los
CONNECT f_agua.f_out TO C1.agua_in, C2.agua_in
correspondientes a las fuentes de combustible, aire y CONNECT C1.vapor_out TO tuberia1.f_in
agua de alimentación (presión, temperatura y CONNECT C2.vapor_out TO tuberia2.f_in
composición de la corriente), los parámetros de los CONNECT tuberia1.f_out,tuberia2.f_out TO colector.f_in
CONNECT colector.f_out TO m_P_col.f_in
reguladores (ganancia, tiempo integral, valor de la
CONNECT m_P_col.presion TO reg_P_col.s_var
señal de control en manual,…), y las dimensiones de CONNECT reg_P_col.s_out TO C1.s_regP,C2.s_regP
la tubería de salida del vapor (longitud y diámetro CONNECT C1.humos_out, C2.humos_out TO chim.f_in
interno). A la mayoría de estos datos ya se les ha
END COMPONENT
dado un valor por defecto en los componentes
individuales para que en principio el usuario no
tenga que preocuparse de darles un valor.
7 RESULTADOS
Las variables que deben fijarse como
CONDICIONES DE CONTORNO serían únicamente Como ejemplo de los resultados que se obtienes de la
las consignas de los reguladores, y la demanda de simulación, se ha representado en la Figura 3 y 4 el
vapor. comportamiento típico de una caldera frente a
variaciones en la demanda de vapor (efectos de
A modo de resumen, se ha incluido un apéndice al contracción y esponjamiento)
final del artículo en el que se enumeran todos los
componentes que se han desarrollado.

Una vez que se ha construido este componente total
CALDERA, los pasos siguientes han ido
encaminados a:
- diseño de un sistema de control completo adecuado
al sistema.
- estudio y diseño de distintas políticas de
distribución de la carga de varias calderas unidas en
paralelo en función de la demanda total de vapor.
- unión de este componente con el resto de modelos
desarrollados para otras unidades de proceso
azucarero.

Como ejemplo incluimos un componente que
representaría la unión de dos calderas en paralelo con
un único colector de vapor, una única chimenea de
salida de humos y una distribución uniforme de la
carga.

--------------------------------------------------------------------------------
--------------- CALDERAS EN PARALELO---------------------------
--------------------------------------------------------------------------------
COMPONENT C2_paralelo

TOPOLOGY
fuente_gas(gas_mix=aire) f_aire(T=30.,P=1.01325,
C={0.233, 0.767, 0.00})
fuente_gas(gas_mix=gas_natural) f_comb(T=30.,P=1.001325,
C={0.815, 0.16, 0.016, 0.009})
fuente_liq(fluido_mix=agua) f_agua(T=120.,P=45.72,C={1.})

c1_nueva C1 Figura 3. Contracción en el nivel del calderín al
c1_nueva C2 disminuir la demanda de vapor
Tubo_vapor tuberia1(D=0.20272,L=14.6)
Tubo_vapor tuberia1(D=0.20272,L=14.6)
colector_vapor colector
chimenea chim
Cntrl_pi reg_P_col (k=0.05,Ti=100.,Tr=0.007,u_min=0.001,
u_max=7.,man=1.00508557)
Medidor_P_vapor m_P_col

5-7


El componente final obtenido puede ser reutilizado
siempre que se cumplan unos requisitos mínimos
fijados por la propia realización del modelo

El uso de estos modelos en el entrenamiento de
operarios se ve facilitado al no ser necesario el
conocimiento del código con que se han desarrollado
dichos modelos.

Apéndice

Librería CALDERA
Componente Descripción
Atemperador Atemperador de vapor sobrecalentado
Bajante Tubos bajantes hacia calderín inferior
BDC Banco de convección
calderin_agua Calderín inferior o de agua
Chimenea Chimenea
colector_vapor Colector de vapor sobrecalentado
cond_aire Conducto de entrada de aire
cond_ce Conducto caldera a economizador
cond_ec Conducto economizador a chimenea
control_atemperacion Sistema control de la atemperación
control_combustion Sistema control y seguridad relación
aire-combustible
control_nivel Sistema control nivel calderín de vapor
CV_sub Calderín de vapor con región
subenfriada
Economizador Economizador
Hogar Hogar de combustión
Precalentador Precalentador de agua de alimentación
sobrecalent1 Sobrecalentador primario
sobrecalent2 Sobrecalentador secundario
Ventilador Ventilador entrada aire
Figura 4. Esponjamiento en el nivel del calderín al C1_nueva Cuerpo de la Caldera
aumentar la demanda de vapor C1_nueva_demo Componente caldera total
C2_paralelo Unión dos calderas en paralelo

En las gráficas correspondientes a la figura 5 Componentes de otras librerías que se han utilizado
aparecen los resultados que se obtendrían si se
produce un aumento en la cantidad de aire que entra Librería PUERTOS
al hogar. Como se puede apreciar en las gráficas, un Componente Descripción
Gas Puerto para gases o mezclas
aumento en la cantidad de aire, provocará una Liquido Puerto para líquidos o mezclas
disminución en la temperatura de la llama, y por tanto vapor Puerto para vapor
una menor evaporación, esta causará una disminución
momentánea de la presión de vapor en el calderín Librería de CONTROL
hasta que el sistema restablezca su posición de Componente Descripción
equilibrio aumentando el flujo de combustible. La analog_signal Puerto de señal analógica
Cntrl_pi Controlador PI
consecuencia final es una disminución en el
Medidor_Ci_gas Medidor composición de un gas
rendimiento de la caldera. Medidor_P_vapor Medidor de presión de un vapor
Medidor_T_vapor Medidor temperatura de un vapor
Medidor_W_gas Medidor flujo másico de un gas
8 CONCLUSIONES Medidor_W_liquido Medidor flujo másico de un líquido

Librería de ELEMENTOS DE FLUJO
El modelo construido cumple los requisitos fijados y Componente Descripción
representa correctamente el comportamiento real del fuente_gas Fuente de gas o mezclas
sistema. fuente_liq Fuente de líquido o mezclas
fuente_vapor Fuente de vapor
La herramienta de simulación utilizada, Ecosimpro, Tubo_gas Tubería para gases
Tubo_liq Tubería para líquidos
ha facilitado el modelado por elementos más simples Tubo_vapor Tubería para vapor
cuya unión nos permite simular un sistema complejo. Valvula_gas Válvula lineal para gases
Valvula_gas_mariposa Válvula de mariposa para gases
Valvula_liq Válvula lineal para líquidos

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Figura 5. Resultados de la simulación ante un aumento en el flujo de aire que entra al hogar de combustión

Agradecimientos

Al profesor D. Cesar de Prada Moraga por sus
orientaciones y ayuda en la realización del modelo
matemático.

Referencias

[1] Costa Novella E. (1996) “Transmisión de
Calor”.Vol 4. Ed.Alhambra, España.

[2] Coulson & Richarson. (1994) “Chemical
Enginnering” Vol 1,6. Pergamon Press.
England.

[3] Kern D.Q. (1950) “Process Heat Transfer”,
McGraw-Hill

[4] Modular Modeling System. B&W Nuclear
Tecnologies

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